CN114069675B - 一种钢铁企业电负荷平衡的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢铁企业电负荷平衡的控制系统，属于工业企业电能管理领域。该系统包括自备电厂、公共电网、负荷侧、能量管理系统、储能单元、电阻器和电池管理系统；储能单元包括储能装置和储能双向变流器；采用配置电阻器和储能相结合的技术方案，以能量管理系统为核心，通过监测负荷侧功率变化来切换储能单元的工作状态，控制电阻器投退，自动进行功率有效分配，进而平衡负荷。本发明可实现调峰调频、降低容量需求、防止倒送电等多种功能，解决了目前钢铁企业自备电厂无法满足冲击负荷的功率需求，且浪费巨大电能和承担高额电力成本的问题，可满足钢铁企业特殊的用电场景和需求，以此推进钢铁企业的长期可持续发展。
Description
技术领域
本发明属于工业企业电能管理领域，涉及一种钢铁企业电负荷平衡的控制系统。
背景技术
当前，钢铁产业是耗电大户，对电力资源的需求巨大。而在电弧炉和轧钢机等常见冲击负荷作用下，钢铁企业电网会面临不同程度的有功和无功冲击、频率波动和谐波等问题，进而可能影响企业电网的稳定运行。因此实现钢厂的电力负荷平衡控制十分必要。
目前，钢厂自备电厂并不能满足冲击负荷的功率需求，需从公共电网吸收额外电能填补空缺及缴纳高额的备用容量费，而在冲击性负载不工作时通过接入电阻负载以热能的形式消耗掉多余的自备电来确保厂区发电机组的稳定运行，这种方式既浪费了巨大的电能又增加了高额的电力成本。因此，为了兼顾自备电厂的经济效益和节能降耗的社会效益，本发明研究一种钢铁企业的电负荷平衡控制系统，具有重要的工程应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钢铁企业电负荷平衡的控制系统，采用配置电阻器和储能相结合的技术，通过能量管理系统的调度控制，既能够有效抑制负荷冲击和电网频率波动，实现对电厂负荷功率曲线的“储能调峰”，并通过降低对公共电网的有功容量需求来减小电力成本负担；同时稳态模式下储能单元吸纳富裕的自备电可提高电厂整体电力资源利用率，且电阻器吸收多余的自备电可防止倒送电，确保电网安全运行。另外，本发明中的储能单元还具备一定容量的无功补偿、电能质量治理等功能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种钢铁企业电负荷平衡的控制系统，包括自备电厂、公共电网、负荷侧、能量管理系统、储能单元、电阻器和电池管理系统(BMS)(选配)；
所述储能单元包括储能装置和储能双向变流器(PCS)；PCS是连接储能装置与自备电厂内部电网之间的接口，工作状态包括整流工况和逆变工况；
所述负荷侧包括钢铁厂的冲击负荷和稳定的基础负荷；
所述电阻器用于冲击负荷不工作时，加热电阻器以热能形式消耗多余自备电；
所述能量管理系统(EMS)是控制系统的监测和调度中心，分别与自备电厂、公共电网、负荷侧、储能单元、电池管理系统和电阻器相连，具备完善的数据采集与监控系统功能，可实现调峰调频、降低容量需求和防止倒送电等多种功能。
所述电池管理系统(BMS)是选配模块，当选择电池作为储能装置时，电池管理系统(BMS)通过检测电池组中各单体的电压、电流和温度等参数来确定整个电池系统的工作状态，实现对储能电池的充放电管理。
进一步，所述储能装置根据储能介质不同，可为磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、飞轮、超级电容等多种储能形式。
进一步，所述储能装置为电池或超级电容时，具有两种工作模式：充电状态和放电状态；
当电池或超级电容处于充电状态时，自备电经过PCS整流为直流电给储能装置充电；反之当电池或超级电容放电时，经PCS逆变为交流电给负荷供电，实现电能双向流动。
进一步，所述冲击负荷包括钢铁厂的电弧炉和轧钢机等典型冲击负荷类型，整体呈现突变性、频繁性和幅度波动大的特点。
进一步，该控制系统包括负荷模式和稳态模式两种工作状态；
所述负荷模式是指冲击负荷投入运行时，储能单元工作在放电状态，释放电能平抑负荷曲线顶部的冲击并减小电网频率波动，使公共电网提供的有功容量小于设定的阈值；
所述稳态模式是指冲击性负载不工作时，只有稳定的基础负荷运行，储能单元处于充电状态，控制电阻器的投退来解决企业逆功率上网问题。
进一步，所述能量管理系统主要实现能量的安全优化调度，通过实时监测负荷侧的用电功率变化，精确判断冲击负荷投退工况，切换储能单元的工作状态，控制电阻器的投退，自动进行功率有效分配，实现对冲击负荷功率的快速补偿，同时对电网频率实时采集和监控，及时投入储能，防止频率波动过大，提高企业电网供电可靠性和稳定性。
进一步，当电池或超级电容作为储能装置时，所述能量管理系统还可实时监测储能荷电状态SOC与当前充放电功率，在储能装置空闲时，维持电池或超级电容随时可充可放的状态，将储能SOC保持在合理范围内。
本发明的有益效果在于：
1)本发明中采用配置电阻器和分布式储能相结合的方式，应用在钢铁企业冲击负荷平衡控制中，既减少电能浪费又能降低电力成本，可同时兼顾电厂的经济效益和节能减排的社会效益，以此推进钢铁企业的长期可持续发展。
2)本发明通过储能单元不仅可以实现对冲击负荷的“储能调峰”，重建负荷平衡，保证电网频率快速恢复，还具备一定容量的无功补偿和电能质量治理功能，可增强自备电厂的供电可靠性和稳定性，保障企业电网安全。
3)本发明的电负荷平衡控制系统功能完善，具备调峰调频、降低容量需求、逆功率监控保护等多种功能，且对非线性冲击负荷适应性强、响应速度快，满足钢铁企业的特殊用电场景和需求。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明电负荷平衡控制系统的结构示意图；
图2为本发明电负荷平衡控制系统的流程示意图；
图3为本发明实施例的储能控制策略的示意图，图3(a)为集中式储能控制策略，图3(b)～图3(c)为分段式储能控制策略。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图3，本实施例采用钢铁企业自备电厂功率为300MW，稳定负荷功率为250MW，热连轧产线冲击负荷功率最大可达150MW，配置储能电池40MW。
本实施例的电负荷平衡控制系统的结构和工作流程如图1和2所示，具体分析如下：
1、负荷模式
(1)控制目标：从公共电网吸收的有功容量在阈值区间内。
热连轧产线供电分为两段，除去自备电厂可为冲击负荷提供的50MW功率外，其中第一段冲击负荷功率最大可达70MW，第二段冲击负荷功率最大可达30MW。配置40MW储能电池后，热连轧产线的电网容量要求由100MW降低到60MW，同时针对该产线系统需要提供的负荷平衡能力由100MW降低到60MW。第一段电网容量要求由70MW降低到50MW，第二段由30MW降低到10MW。
(2)储能控制策略
若两段采用集中式储能方案，应用1套储能系统，则储能系统控制策略如图3(a)所示；若两段采用分段式储能方案，应用2套储能系统，则储能系统控制策略分别如图3(b)和图3(c)所示。
(3)具体过程
EMS通过实时跟踪负荷侧的用电功率，当检测到冲击负荷投入时，即负载功率突增，进入负荷模式运行，EMS通过调度平台发送放电控制指令，启动储能单元开始放电，按照用户事先自主选择的控制策略方式对储能单元调节，再根据功率分配机制对储能单元放电功率和从公共电网吸收的有功功率进行自动调节。
由于轧钢冲击负荷具有频繁性，冲击持续时间和间隔时间相对固定，EMS根据负荷侧功率变化动态调整放电速率指令，BMS可在线监视储能电池的电压、电流、SOC和温度等参数值，并实时调节对电池组的均衡放电策略，进而有效抑制负荷曲线顶部的冲击，降低对公共电网的容量要求，保证系统经济运行。另外在对电网频率的实时采集和监控下，及时投入储能单元进行功率补偿，迅速稳定频率，避免出现频率短时越限的情况，保证厂区用电安全。
2、稳态模式
(1)控制目标：防止功率倒送公共电网。
稳态基荷为250MW，在冲击性负载不工作时，自备电富余功率为50MW，此时储能单元切换为充电状态，当储能电池充电功率达到40MW时，快速接入电阻负载以热能的形式消耗掉多余的电能来确保自备电厂发电机组的稳定运行。
(2)具体过程
EMS通过实时监测负荷侧的用电功率，当检测到冲击负荷退出时，即只有稳定的负荷工作时，进入稳态模式运行，EMS发送充电控制指令，储能单元切换为充电状态，此阶段负荷侧功率变化较为平稳，BMS通过对电池的电压、电流、SOC和温度等参数采集，进而控制电流的充电过程，实时检测电池充电功率并反馈给EMS，当储能功率达到40MW时，EMS下达防功率倒送指令，快速投入加热电阻器消耗多余自备电，确保不往公共电网上送功率。
本发明的电负荷平衡控制系统工作在上述两种工作模式下，EMS通过监测负荷侧功率变化快速做出响应，切换储能单元的工作状态，控制电阻器的投退，自动进行功率有效分配，进而达到平衡负荷的目的。本发明的控制系统具备调峰调频、降低容量需求、逆功率监控保护等多种功能，非常适合钢铁企业特殊的用电场景和需求。另外，本发明中的储能单元还具备一定容量的无功补偿、电能质量治理等功能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种钢铁企业电负荷平衡的控制系统，包括自备电厂、公共电网、负荷侧，其特征在于，该系统还包括能量管理系统、储能单元和电阻器；该控制系统包括负荷模式和稳态模式两种工作状态；所述负荷模式是指冲击负荷投入运行时，储能单元工作在放电状态，释放电能平抑负荷曲线顶部的冲击并减小电网频率波动，使公共电网提供的有功容量小于设定的阈值；所述稳态模式是指冲击负荷不工作时，只有稳定的基础负荷运行，储能单元处于充电状态，控制电阻器的投退来解决企业逆功率上网问题；
所述储能单元包括储能装置和储能双向变流器；所述储能双向变流器是连接储能装置与自备电厂内部电网之间的接口，工作状态包括整流工况和逆变工况；
所述负荷侧包括钢铁厂的冲击负荷和稳定的基础负荷；
所述电阻器用于冲击负荷不工作时，加热电阻器以热能形式消耗多余自备电；
所述能量管理系统是控制系统的监测和调度中心，分别与自备电厂、公共电网、负荷侧、储能单元和电阻器相连接，具备数据采集与监控系统功能，用于实现调峰调频、降低容量需求和防止倒送电。
2.根据权利要求1所述的钢铁企业电负荷平衡的控制系统，其特征在于，所述储能装置根据储能介质不同，包括磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、飞轮或超级电容多种储能形式。
3.根据权利要求1所述的钢铁企业电负荷平衡的控制系统，其特征在于，所述储能装置为电池或超级电容时，具有两种工作模式：充电状态和放电状态；
当电池或超级电容处于充电状态时，自备电经过储能双向变流器整流为直流电给储能装置充电；反之当电池或超级电容放电时，经储能双向变流器逆变为交流电给负荷供电，实现电能双向流动。
4.根据权利要求1所述的钢铁企业电负荷平衡的控制系统，其特征在于，所述冲击负荷包括钢铁厂的电弧炉和轧钢机。
5.根据权利要求1所述的钢铁企业电负荷平衡的控制系统，其特征在于，所述能量管理系统用于实现能量的安全优化调度，通过实时监测负荷侧的用电功率变化，精确判断冲击负荷投退工况，切换储能单元的工作状态，控制电阻器的投退，自动进行功率有效分配，实现对冲击负荷功率的快速补偿，同时对电网频率实时采集和监控，及时投入储能，防止频率波动过大，提高企业电网供电可靠性和稳定性。
6.根据权利要求5所述的钢铁企业电负荷平衡的控制系统，其特征在于，当电池或超级电容作为储能装置时，所述能量管理系统实时监测储能荷电状态SOC与当前充放电功率，在储能装置空闲时，维持电池或超级电容随时可充可放的状态，将储能SOC保持在合理范围内。
7.根据权利要求1~6中任意一项所述的钢铁企业电负荷平衡的控制系统，其特征在于，该系统还包括电池管理系统，与所述能量管理系统通信连接；当选择电池作为储能装置时，电池管理系统通过检测电池组中各单体的参数来确定整个电池系统的工作状态，实现对储能电池的充放电管理。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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